静止卫星遥感植被冠层反射率的角度归一化模型研究

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随着静止卫星可见光近红外波段多光谱成像仪在谱段和空间分辨率方面的发展,静止卫星的应用由传统的气象、通信和广播等领域推广至海洋水色和陆地遥感监测。尤其静止卫星高频次的成像能力使其能够捕捉植被冠层光谱的日内变化特征,对植被遥感监测具有非常重要的现实意义,也可大幅提高多云、多雨地区多光谱遥感数据的获取效率。植被冠层光谱的二向性反射差异较为显著,然而高频次静止卫星遥感数据存在观测角度和太阳角度差异较大的问题,迫切需要进行遥感数据角度归一化处理。而目前较为认可的遥感数据角度归一化产品只有MODIS(MODerate resolution Imaging Spectroradiometer)和VIIRS(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)数据16天合成的BRDF(bidirectional reflectance distribution function)和NBAR(Nadir BRDF adjusted Reflectance)产品,且要求同一目标16天内获取至少7次无云的、多观测角度的遥感地物反射率才能完成BRDF核驱动模型的参数求解。核驱动模型应用于静止卫星遥感数据时则存在时间尺度适用性问题,固静止卫星遥感植被冠层反射率的角度归一化研究目前仍十分迫切。论文针对这一难题,使用地球静止轨道海洋水色卫星COMS(Communication、Ocean and Meteorological Satellite)所搭载海洋水色成像仪GOCI(Geostationary,Ocean Color Imager)数据,在借鉴基于消光路径的地形校正模型、太阳天顶角校正模型和Minnaert模型等方法的基础上,结合植被冠层光谱的日内变化特征,重点研究了如何利用静止卫星遥感数据各像元点观测角度固定的特点以及超高频次重复覆盖的优势,构建了静止卫星遥感植被冠层反射率角度归一化模型,能够为我国高分四号等卫星的遥感数据角度归一化提供重要的借鉴价值和参考意义。论文首先根据冬小麦植被冠层光谱的日内变化特征确定了GOCI数据分析的波段选择和时间窗口,并对冬小麦植被冠层光谱特征点参数和植被指数的角度影响进行了分析。其次根据地物反射率归一化的定义逐步完成GOCI地物反射率的地形校正、太阳天顶角归一化和观测角度归一化,从而完成静止卫星遥感植被冠层反射率角度归一化模型的构建。最后利用地面实测的多观测角度冬小麦冠层光谱数据和2015年4月22日的GOCI数据进行了角度归一化模型的验证测试,结果表明本文所构建的角度归一化模型对不同时相GOCI植被冠层反射率的归一化达到了预期效果。主要研究结论包括:(1)分析了拔节期冬小麦植被冠层光谱日内变化趋势及其随太阳和观测角度的变化特征。实测冬小麦冠层光谱VNIR(visible and near infrared,400-900nm)波段反射率积分SVNIR日内呈现明显的双峰特征和波动变化,并且除双峰时间段外下午的SVNIR值高于上午的SVNIR值;实测光谱与模拟光谱400-730nm范围内的反射率相对极差明显高于730-900nm范围内的反射率相对极差。受观测角度影响,实测冬小麦冠层光谱SVNIR的极化图基本呈现不规整的碗状分布,而光谱特征点参数和植被指数则在热点位置呈现高值或低值分布。(2)构建了静止卫星遥感植被冠层反射率角度归一化模型。基于静止卫星遥感数据高频次、大幅宽的成像特性,所构建静止卫星遥感植被冠层反射率角度归一化模型包括3个核心步骤:首先考虑植被的向地性生长特性引入消光路径的思路进行地形校正;其次在将各像元点坡面校正为水平面的基础上,使用各像元点太阳天顶角余弦值对太阳角度进行归一化,将太阳入射角归一化至天顶方向;随后借鉴Minnaert模型来消除静止卫星遥感数据中太阳角度差异导致的地物二向性反射差异,此过程需要设定时间窗口来保留高频次遥感数据中植被冠层光谱的日内变化特征。(3)使用GOCI数据验证了静止卫星遥感植被冠层反射率角度归一化模型的有效性。本文所构建的角度归一化模型相较于基于消光路径的地形校正模型和太阳天顶角校正模型,对GOCI地物反射率具有更好的归一化效果:明显提高了上午时间窗口内各时相间GOCI地物反射率一元线性拟合方程的~2且拟合方程的斜率较接近于1,明显降低了双峰时间窗口内各时相间GOCI地物反射率一元线性拟合方程的斜率,以保留植被冠层光谱本身的日内变化特征。另外根据GOCI数据模型处理结果随成像几何变化的对比分析可知,相较于太阳天顶角、观测天顶角和传感器观测方向与地物坡面法线的角度,本文所构建的角度归一化模型对太阳入射角和坡度具有更好的归一化效果。本文的主要创新点包括:(1)借助Minnaert模型消除了静止卫星遥感地物反射率受太阳角度变化引起的二向性反射差异,并实现了Minnaert模型系数k的逐像元求解。(2)利用静止卫星传感器高频次的成像特征以及各像元点具有固定观测角度的特点,构建了静止卫星遥感植被冠层反射率角度归一化模型,此模型可将遥感植被冠层反射率角度归一化产品的时间分辨率提高至小时级。
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